流體力學應用/A26：潛水泵

您可能聽說過潛水泵，特別是在我們的家中，如果水箱裡的水用完了，我們會要求開啟潛水泵。它也用於工業，特別是在煉油廠中，用來抽取液體或氣體原料。您可能也見過氣體或液體透過長距離輸送，特別是在液化石油氣的情況下。潛水泵基本上是一種離心泵。在本章中，我們將瞭解這種流體或氣體的傳輸是如何進行的，以及在這個過程中涉及哪些引數。

泵是一種機器或裝置，用於提升、壓縮或輸送流體，流體可以是液體或氣體。離心泵是一種將機械能轉換為液壓能的裝置，它利用液體上的離心力來移動液體透過管道系統。

組成部分

離心泵有兩個主要組成部分

1. 固定部件：泵體，泵蓋和軸承
2. 旋轉部件：葉輪，軸

零件

• 泵體 

泵體保護整個元件，防止其受到損壞以及來自泵排出的流體的力的影響，並將流體的速度轉換為壓力。泵體設計不影響總揚程 (TDH)，但對於減少摩擦損失至關重要。它支撐軸承，承受旋轉葉輪的離心力和由壓力推力不平衡引起的軸向載荷。

• 葉輪 

泵的效能取決於葉輪的直徑和設計。泵的 TDH 主要由葉輪的內徑和外徑決定，而泵的流量由葉輪葉片的寬度決定。

• 軸 

軸連線葉輪和傳動裝置。傳動裝置在大多數情況下是電動機，但也可以是燃氣輪機。它通常由泵體中壓力力不平衡引起的徑向力和葉輪前後壓力差產生的軸向力啟用。

• 軸承 

軸承將軸固定在適當的位置，以確保徑向和軸向間隙。

• 密封 

為了防止流體進入軸承並防止洩漏，在泵體中安裝了多個密封件。

工作原理

離心泵是一種旋轉動力泵，它利用旋轉葉輪來提高流體的壓力。流體從旋轉軸附近進入泵，並流入旋轉葉輪。葉輪由一個旋轉的圓盤組成，圓盤上附著著幾個葉片。通常葉片向後傾斜，遠離旋轉方向。當流體以一定的速度進入葉輪時，由於吸入系統的作用，流體被旋轉葉輪葉片捕捉。流體透過葉輪葉片的曲率從葉輪中心（眼）向外傳遞脈衝而加速。它在葉輪外徑處達到最大速度，然後離開葉輪進入擴散器或蝸殼室。

因此，離心力幫助加速流體粒子，因為粒子進入的半徑小於單個粒子離開葉輪的半徑。現在，流體的能量被轉換為靜壓，這得益於擴散器或蝸殼室的形狀。流體機械中能量轉換過程遵循伯努利原理（公式 1），該原理指出，沿流線的各種能量之和在路徑的兩個點上是相同的。泵系統中的總水頭能量是勢頭能量、靜壓水頭能量和速度水頭能量的總和。

${v_{1}^{2} \over 2}+gz_{1}+{p_{1} \over \rho }={v_{2}^{2} \over 2}+gz_{2}+{p_{2} \over \rho }$

(公式 1 - 伯努利方程)

由於離心泵中流體速度的增加，它本質上是一臺速度機器。流體離開葉輪後，它以更高的速度從一個小面積流入一個面積增加的區域。因此，速度降低，因此壓力增加，如伯努利原理所解釋的那樣。結果是泵排放側壓力增加。由於流體在泵的排放側被排出，因此為了在吸入側補充流體，需要吸入更多流體，從而引起流動。

泵的分類

• 根據葉輪的彎曲葉片

1. 開式葉輪 - 它由連線到其中心的葉片組成。
2. 半開式葉輪 - 它們由一個安裝在葉片一側的圓盤組成。
3. 封閉式葉輪 - 它們在葉片的兩側都安裝有圓盤。

• 根據泵中流體可以進入的點的數量

1. 單吸葉輪 - 它們允許流體只從一側進入其中心。
2. 雙吸葉輪 - 它們允許流體同時從兩側進入。

• 根據流體經過的級數

1. 單級泵 - 它只配備了一個葉輪。
2. 雙級泵 - 它由兩個或多個葉輪組成，這些葉輪安裝在同一個軸上，在一個泵體中。

• 根據功能

1. 再生渦輪泵 - 泵葉輪的邊緣兩側都有葉片，在泵體中旋轉。
2. 端吸泵 - 單級泵，其泵體在一端吸入，從頂部排出。
3. 多級可疊加泵 - 多個腔室連線在一起，允許流體從第一個腔室進入，並在壓力增加的地方離開。
4. 分體式泵 - 泵體分成兩個腔室，與直線式或端吸泵不同。

泵引數和選擇

• 總揚程 (TDH)

一般來說，揚程用於定義泵傳遞給液體的能量，以長度單位表示。在沒有速度的情況下，它等於靜止液柱的高度，該液柱由基準點處的壓力支撐。總動壓頭 (TDH) 是總動排放揚程和總動吸入揚程之間的差值（公式 2.1）。
總動排放 (吸入) 揚程實際上是排放 (吸入) 法蘭處壓力錶讀數轉換為長度單位，並校正到泵中心線加上壓力錶所在點的速度揚程（公式 2.2）。這兩個值代表了流體在泵的排放和吸入法蘭處的總能量。從數學上講，它是排放 (吸入) 靜壓頭和排放 (吸入) 法蘭處速度的總和減去排放 (吸入) 管路中的總摩擦揚程。這兩個值的差值給出了 TDH，它代表了新增到流體中的能量。TDH 不依賴於輸送流體的密度。更高的密度只會增加壓力，因此在恆定的流量下所需的功率也會增加。

${TDH}={h_{d}-h_{s}}$

(公式 2.1-TDH)

${TDH}={(z_{2}-z_{1})+{(p_{2}-p_{1}) \over \rho g}+{(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2g}}$

(公式 2.2-TDH)

• 流量 (Q)

(體積) 流量是單位時間內流經泵的流體體積。它是透過面積乘以流體速度來計算的（公式 3）。它取決於葉輪的幾何形狀和轉速。

${Q}={A_{1}v_{1}}={A_{2}v_{2}}$

(公式 3-流量)

• 功率和效率 (P, η)

泵執行的工作是 TDH、流量和流體比重的函式。泵輸入 (P) 或制動馬力 (bhp) 是實際傳遞到泵軸的功率。泵輸出 $(P_{hydr})$ 或水力馬力 (whp) 是每單位時間傳遞給流體的能量（公式 4）。由於泵的機械和水力損失，$(P_{hydr})$ 始終小於 P。因此效率定義為 $(P_{hydr})$ 除以 P（公式 5）。
葉輪幾何形狀經過最佳化，可以在給定直徑的最佳效率點 (BEP) 處以特定速度提供最高流量。如果在 (BEP) 之外操作泵，由於湍流增加和再迴圈造成的損失會增加並降低效率。這些影響是由泵的設計流量與實際流量不匹配造成的。隨著遠離 BEP，進氣葉片角度和進氣流角度之間的差值也會增加，葉輪葉片出口和擴散器之間的損失也會增加。其結果是葉輪護罩和外殼之間的流量增加。

${P_{hydr}}={\rho .g.Q.TDH}$

(公式 4-功率)

${\eta }={P_{hydr} \over P}={\rho .g.Q.TDH \over P}$

(公式 5-效率)

泵的問題

• 汽蝕 - 汽蝕發生在流體中的靜壓低於流體蒸汽壓時，主要由高速度引起。根據伯努利定律，當速度增加時，靜壓會降低。如果發生這種情況，流體區域性開始沸騰並形成氣泡，氣泡比流體佔據的空間更大。在離心泵的葉輪中，氣泡移動到壓力降低的區域。如果壓力現在超過蒸汽壓，氣體會在氣泡的內表面凝結，並迅速坍塌。這種氣泡的內爆會導致高達數千巴的高暫態壓力波動。由於流體從高壓流向低壓，這種流動會導致周圍流體的射流，這可能會擊中表面。這些高能微射流會導致高壓縮應力，從而削弱材料。最後，會產生稱為汽蝕坑的隕石坑狀變形和孔洞。汽蝕的其他原因可能是流體溫度升高、吸入側壓力低或輸送高度增加。離心泵中的汽蝕主要發生在葉輪前緣，但也發生在葉輪葉片、磨損環和推力平衡孔處。為避免汽蝕，重要的是要提供足夠的 NPSH 並保持流體溫度低。如果泵開啟以保持壓力，但沒有流體被抽出，則可能會出現高流體溫度。
• 腐蝕 - 腐蝕是由於材料與其周圍環境發生化學或電化學反應而導致材料基本效能下降。腐蝕型別有很多，並且受許多因素影響，例如流體溫度、所含元素和 pH 值。泵中最常見和最危險的腐蝕是所謂的均勻腐蝕。這是腐蝕性液體對金屬的整體攻擊。流體和金屬表面之間的化學反應導致溼潤表面上的均勻金屬損失，稱為腐蝕性磨損。為了最大程度地減少腐蝕性磨損，重要的是選擇耐腐蝕的泵材料。

參考文獻

1. ITT – Goulds Pumps http://www.gouldspumps.com
2. Light my Pump http://www.lightmypump.com/pump_glossary.htm
3. 徑向和軸向泵（作者：A.J. Stephanoff）
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5. 離心泵，技術設計（作者：Stephan Näckel）
6. 勞倫斯泵 - 執行時間（作者：Dale B. Andrews）
7. 世界泵（作者：Joseph R. Askew）
8. 泵使用者手冊（作者：Heinz P. Bloch、Allan R. Budris）
9. 基於功能的泵分類